看到系外行星火山需要什么？
木星的衛星木衛一上火山爆發的圖像——取自伽利略號宇宙飛船。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局，火山美國國家航空航天局-JPL，系外行星需德國航天中心
（神秘的火山地球uux.cn）據今日宇宙（安迪·托馬威克）：即使有世界上最好的望遠鏡拍攝的最清晰的圖像，天文學家仍然不知道他們在看什么。系外行星需從像詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)這樣的火山望遠鏡捕捉的圖像中收集科學數據需要對物理學，特別是系外行星需光是如何工作的有一個基本的理解。
為了幫助理解這一點，火山一群物理建模師專門試圖理解使用不同的系外行星需望遠鏡技術會出現什么樣的不同場景。arXiv預印本服務器上發布的火山一篇新論文恰好符合這一模型，來自加州大學河濱分校、系外行星需美國國家航空航天局戈達德分校、火山美國大學和馬里蘭大學的系外行星需研究人員決定模擬他們認為圍繞類太陽恒星的系外行星上的火山活動。
那么為什么火山活動如此重要呢？火山簡而言之，這是系外行星需一種間接的方式來窺視系外行星內部，以了解地表下可能存在的地質情況。在其核心，火山將地球內部的一切噴向外部，尤其是大氣。因此，任何能夠捕捉到火山系外行星大氣層照片的望遠鏡，都有能力看到它的內部是由什么組成的。
目前，只有少數望遠鏡足夠強大，甚至可以探測到系外行星的大氣層——JWST就是其中之一。然而，它只能在紅矮星周圍探測到它們。亮度與我們的太陽相似的恒星會沖掉望遠鏡的傳感器，使它們的數據變得無用。
但是未來幾代的望遠鏡可能就不是這樣了。特別是一個叫做LUVOIR望遠鏡的，目前還只是在概念階段。LUVOIR有可能，至少在目前的規格下，直接成像地球大小的系外行星的大氣層，這些行星以大約1 AU的距離圍繞類太陽恒星運行。
然而，這實際上意味著什么呢？拍攝如此遙遠物體的圖像需要特殊的理解才能解讀。這可不是在圖片背景中視覺上看到埃菲爾鐵塔那么簡單。它更多的是以一種可以轉化為對望遠鏡所能捕捉的東西的科學理解的方式來解釋數據。想出一個密碼的最好方法之一是在我們已知的物體上測試望遠鏡的能力。
宇宙中研究得最好的物體之一是地球本身。我們對大氣光譜的了解已經深入到一些非常細微的細節。我們也可以模擬我們認為它在像盧瓦爾這樣的望遠鏡中會是什么樣子。雖然找到另一個地球的可能性既令人信服，而且坦率地說，也是一種實際的可能性，但本文對“系外地球”模型進行了更細致的研究——基于不同火山爆發的存在，信號會有什么變化？
如上所述，火山是遠程觀察行星核心的最佳方式之一，因此行星科學家希望獲得盡可能多的數據。再一次，我們最好的數據是在地球上收集的。我們知道什么化學物質來自這里的火山，這可能是在地球外大氣的光譜特征中獲得的。
LUVOIR有三個主要的光譜儀，專注于不同波長的光——紫外線、可見光和近紅外線。在一個非火山化的地外模型中，紫外線波長對臭氧高度敏感，而普通的氧氣和水蒸氣在可見光中更明顯。水也是近紅外波段最明顯的元素。
這一切和火山有什么關系？火山噴發時噴到空氣中的氣溶膠至少對其中一些元素的光譜讀數造成了破壞，尤其是水。根據這篇論文，“當火山爆發正在進行時，H2O吸收特征幾乎完全被火山氣溶膠所掩蓋。”這似乎是一個非常明確的指標，如果盧瓦爾看到一顆行星在可見光和近紅外光譜中有一個穩定的光譜帶，并且這些值在觀察期內發生了顯著變化，它可能是由某種形式的火山活動引起的。
另一個指標是系外行星大氣中二氧化硫(酸雨)的存在。這種氣體的壽命相對較短，但不斷由火山噴發噴出。不幸的是，LUVOIR能夠探測到的光譜吸收線幾乎完全被類似的臭氧吸收線所掩蓋，這使得很難從數據中分離出SO2的存在。
總體而言，正在進行的火山活動的光譜特征似乎最符合紫外線(即臭氧)和可見光(即氧氣和水)光譜的變化。特別是，臭氧譜線周圍的高峰可能表明正在進行的活躍噴發的存在。但是我們找到像盧瓦爾那樣的行星的可能性有多大呢？
根據文中討論的模型，大約90%。至少如果我們在類太陽恒星周圍觀測到47顆類地行星，概率確實達到那么高。考慮到已經有5000多顆確認的系外行星，盧瓦爾發現47顆類地系外行星的幾率相當高。
不過，我們還需要一段時間才能確定。LUVOIR目前估計將于2039年發射，將我們可以收集的任何數據用于觀察21世紀40年代的任何系外行星大氣。這似乎離現在還有很長的時間，但至少它給了理論家更多的時間來開發我們可能期望看到的模型。希望有很多新的東西可以分析，不僅僅是火山。
相關文章：